脑专用PET显像探测器自由结构符合与初步实验测试

文 婧，李英帼，黄 川，张庆华，裴昌旭，何丽霞，尹永智

(1.兰州大学 核科学与技术学院，甘肃 兰州 730000；2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

正电子发射断层显像技术(positron emission tomography, PET)采用湮没辐射和正电子准直技术，在体外动态、定量、无损伤地从分子水平上对生物体的生理功能和病理变化进行反映和成像，在肿瘤、神经系统疾病和心血管疾病三大类疾病的诊断中有重要的价值[1]。在全身PET广泛应用于临床检测的背景下，局部病变检测的核医学显像设备成为研究热点，比如小动物PET、脑部PET、乳腺PET等。相比全身PET，局部PET的检测对象体积小、注射剂量低、价格便宜，能够更好地保护患者其他组织器官，但同时也对空间分辨率、系统灵敏度和能量分辨率提出了更高要求[2]。

在现有临床PET检测中，患者头部比较容易活动，检测不方便，造成检测效果与精度较低、图像质量低[3]。脑PET是专用于头部显像的PET装置，比目前临床使用的PET直径小，可减小非线性效应的影响。使用可以自由活动的脑PET探测器对提高精度和满足成像要求有重要的意义。Kuang课题组[4]设计了一种头盔式脑PET，上下采用不同大小的平板型探测器，中间由六种不同大小的探测器圆环组成，其灵敏度是一般圆柱形探测器的4.2倍。Kinahan等[5]对微剂量脑PET显像仪(ambulatory microdose positron emission tomography, AMPET)进行了研究，探讨了对自然环境中直立和移动的人脑(正常和紊乱)不同情况的脑PET设计，为未来脑科学研究提供了显像测量基础。

为了增加探测效率、实时显示图像，显著提高脑PET显像质量，本研究设计两个大面积的探测器面板，使用一对机械手臂进行支撑，在同一直线上两两相对，并对目标体进行6维度的自由符合，以期使PET显像探测器更贴近病灶组织，实现快速显像响应，具有发展为灵活脑PET显像系统的功能。

1 脑PET系统设置

大面积LYSO&PMT探测器以LYSO晶体和光电倍增管(photomultiplier tube, PMT)为基础，将射线转化为光信号后再转化为电信号。LYSO晶体是一种优良的无机闪烁晶体，与PMT和雪崩光电二极管(avalanche photo diode, APD)的匹配性好，可以满足大面积脑PET探测器系统的性能要求。本研究采用日本滨松公司(HAMAMATSU)的R8900-00-C12光电倍増管，其空间分辨率较高，具有较宽的波长响应。且有效面积为23.5 mm×23.5 mm，可以满足多种尺寸晶体的耦合需求[6]。R8900-00-C12输出的12路信号(6路X+6路Y)为带有位置信息的十字结构，位置分辨率较高。

1.1 大面积LYSO&PMT探测器结构

大面积PET探测器采用多个LYSO晶体阵列进行紧密拼接并置于3×3阵列的光电倍增管PMT上，如图1所示。每个LYSO晶体阵列包含多个相同尺寸的单像素晶体条，LYSO晶体阵列的单像素晶体条的高度为10 mm，像素大小(即晶格大小)在六种尺寸(0.7 mm×0.7 mm、0.9 mm×0.9 mm、1.2 mm×1.2 mm、1.3 mm×1.3 mm、1.5 mm×1.5 mm、2.0 mm×2.0 mm)中进行测试和选择，每种像素尺寸有对应的阵列规格，如表1所示。晶体条之间采用0.1 mm厚的硫酸钡作为反射层进行填充。对晶体阵列的各面进行抛光后，晶体阵列周围采用铝膜作为反光层，减少光损失和光干扰。为最大程度地利用光电倍增管的有效面积，使用硅胶耦合晶体与3×3阵列的位置灵敏光电倍增管[7]。

图1 大面积PET探测器结构示意图

表1 不同像素尺寸的阵列规格

1.2 前端电子学

1.2.1前端电子学组成 前端电子学组件实物图示于图2。应用于大面积LYSO&PMT探测器板的前端电子学组件基于R8900-00-C12位置灵敏型光电倍增管(position sensitive photomultiplier tube, PSPMT)进行设计，该电子学组件共包括PSPMT打拿极分压模块、位置分压电路模块、前置放大器模块以及供电和信号输出模块，这四个模块之间通过排针和排座连接，从而实现板之间的整体化。每个PSPMT和一个组件进行连接，大面积探测器平板共有3×3个组件。

图2 前端电子学组件实物图

1.2.2前端电子学信号输出 从位置灵敏型光电倍增管R8900 PSPMT输出的12路信号经过分压电阻网络处理后变成四路，每一路信号经过前置放大电路时都进行两次放大，第一块印刷电路板(printed circuit board, PCB)是打拿级供电分压板，PSPMT探针通过排座和32个PCB板上的引脚相连，旁边1×8的排针用于连接阳极信号。中间两块PCB分别对X和Y信号进行处理，PSPMT输出的12路信号通过排座引入电路板并经过位置分压电阻网络进行处理。该位置分压电阻网络由Anger电路设计而成，可将12路信号转变成4路信号(X1、X2以及Y1、Y2)，通过前置放大电路放大处理后进行输出。这4路信号的幅值通过公式(1)和公式(2)可以直接获得射线在LYSO晶体中的作用位置(X/Y)，4路信号的幅值总和反映γ光子沉积的相对能量大小E。

(1)

(2)

E=X1+X2+Y1+Y2

(3)

最后一块PCB是信号输出板，主要作用为将处理后的四路信号X1、X2、Y1、Y2进行输出，以及为IC芯片和位置灵敏型光电倍增管提供必需的直流电压[8]。

本次研究中将9个位置灵敏型光电倍增管紧密排布在一起，产生4×9共36个输出信号，如果对每个输出信号进行放大和后续处理，将使得电路模块较多、硬件系统变得复杂。为此，在前放组件之后再加上一块位置加权电路板，实现9个探头的二维位置图拼接为单个大面积探头的二维位置图，利用对称电荷划分(symmetrical charge division, SCD)多路复用方式将36个信号转变成4个信号(X1、X2、Y1、Y2)，分别在行/列上进行输出，如图3a所示。SCD多路复用方式通过在行/列的输出之间放置一个电阻链，行/列电阻链两端的输出信号运用Anger逻辑进行计算，可以解码原始信号的位置[9]。通过上述位置加权电路减少处理的信号数量可以极大降低实验成本，减少实验时间，缩小设备体积，位置加权电路如图3b所示。

图3 位置加权电路信号输出逻辑(a)和36路信号通过SCD多路复用电路变成4路信号(b)

1.3 自由符合

大面积脑PET探测器测试基于符合测量原理，每块探测器板结构由9个探测器模块紧密排布组成，采用平板型相对布局。平板间距为10.6 cm(图4a)。每个探测器模块不与同一平板上的探测器模块进行符合，而是与相对平板上的9个探测器模块依次进行符合，共形成81对符合逻辑关系(图4b)。

a——平板型相对布局；b——9个探测器模块紧密排布

2 性能测试

2.1 多种像素LYSO晶体阵列测试

对多种尺寸的LYSO晶体阵列进行不同像素的测试，利用LabView程序采集探测器的信号数据并以此获得晶体的二维位置图和位置区分度，晶体小像素的尺寸为0.7 mm×0.7 mm、0.9 mm×0.9 mm、1.2 mm×1.2 mm、1.3 mm×1.3 mm、1.5 mm×1.5 mm、2.0 mm×2.0 mm。

2.2 探测器能量分辨率

在像素型晶体中，为了简化比较和讨论多种晶体的能量分辨特性，取LYSO晶体阵列所有小晶体像素的总能谱，γ能谱设置的触发阈值为50 keV。采用LYSO晶体阵列中所有像素的能量分辨率平均值描述晶体阵列的能量分辨特性。

2.3 符合测试实验

首先进行组成大面积平板探测器的单个LYSO/PMT PET模块的符合测试实验(图5a)。大面积探测器中9个PSPMT以3×3的方式排布，与12×12阵列的LYSO晶体紧密耦合，其中LYSO晶体像素的尺寸是1.5 mm×1.5 mm。在进行一对一符合实验测试时，采用12×12阵列的LYSO晶体与一个PSPMT R8900-00-C12耦合组成一个探测器模块。使用这样的一对探测器模块，并固定在同一水平线的小型转台上，二者连线中点与转台中心保持一致且在该位置上放置活度为1 μCi的22Na点源，转台在360°水平面内多次旋转，即模仿机械手臂在某一平面内360°旋转(图5b)。设置两探测器模块之间的距离为10.0 cm，即每个探测器与中心源的距离为5.0 cm，设置整数便于定点，方便精确计算[13]。LYSO晶体模块有效边长为19.1 mm，LYSO晶体探测器两边与中心连线夹角为21.62°，在平面内等幅旋转9次，重复角度可消除探测器摆放或像素晶体条本身的弧度偏差。利用转台均匀地旋转9次进行符合数据采集，除去其中重复角度的符合数据后，对剩余数据进行22Na点源图像重建。

a——符合测试；b——360°旋转

3 结果与讨论

3.1 晶体二维位置图及区分度

对不同像素尺寸的LYSO晶体阵列二维位置图，选择中间一行的位置区分统计结果进行对比(矩形)，并做出单晶格的位置区分轮廓图，如图6所示。图6中多种尺寸晶体的二维位置图均能清晰地看到像素点阵列，能够很好地实现位置区分，具有良好的实用性。通过对比可以看出，0.7 mm×0.7 mm像素尺寸的LYSO晶体阵列二维位置最不容易分开，但位置区分度更高、更清晰。像素越小，组成的大面积PET系统的空间分辨率越高[8]。

a——0.7 mm×0.7 mm(20×20阵列)；b——0.9 mm×0.9 mm(18×18阵列)；c——1.2 mm×1.2 mm(15×15阵列)；d——1.3 mm×1.3 mm(14×14阵列)e——1.5 mm×1.5 mm(12×12阵列)；f——2.0 mm×2.0 mm(10×10阵列)

利用区分度表征不同晶格对像素分开的程度，对每个像素采集的数据进行高斯拟合，分析单个像素的半高宽的大小即可表示区分度的大小[9-11]。计算得1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶体阵列的位置区分轮廓的半高宽(FWHM)平均值为0.45 mm，半高宽最大值为0.48 mm，半高宽最小值为0.40 mm。表2列出了六种LYSO晶体阵列的位置区分轮廓的FWHM平均值、最大值和最小值，这些像素尺寸的LYSO晶体阵列均能清晰地分辨出二维位置轮廓。

表2 多种像素尺寸的LYSO晶体阵列的位置区分轮廓的FWHM

3.2 探测器能量分辨率

0.9 mm×0.9 mm(15×15阵列)和1.2 mm×1.2 mm(18×18阵列)像素尺寸的LYSO晶体阵列能谱如图7所示，其中红色线拟合的是全能峰，其FWHM分别为110.3 keV和81.2 keV，该FWHM与入射γ光子的能量比即为能量分辨率。1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的晶体探测器测试1 μCi22Na点源获得的12×12二维位置图中间10×10个像素的单晶格能谱图示于图8，经过刻度得到LYSO晶体阵列的小像素平均能量分辨率可达12.1%，获得的能谱图峰和总能谱图峰基本一致，但比总能谱更加清晰，且这10×10个能谱基本相同，但全能峰峰位各异，在进行能量分辨率计算时需要对每个单像素晶体条进行能量归一化处理[14]。

a——0.9 mm×0.9 mm(18×18阵列)；b——1.2 mm×1.2 mm(15×15阵列)

图8 1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶体阵列的中间10×10晶格能谱图

能量分辨率是脉冲能谱分布的半高宽与入射γ光子的能量之比值，表明PET系统对散射符合计数的甄别能力。由于各像素对不同能量γ射线的响应各不相同，采用LYSO晶体阵列中所有像素的能量分辨率平均值来描述晶体阵列的能量分辨特性[12]。经计算，六种LYSO晶体阵列的平均能量分辨率列于表3。由表3数据可知，1.3 mm×1.3 mm像素尺寸的晶体平均能量分辨率最优，为17.61%；1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的晶体平均能量分辨率次之，为20.86%。

表3 各种LYSO晶体阵列的平均能量分辨率

3.3 探测器一对一符合图像重建

对探测器的显像效果做进一步的图像重建测试，转台旋转半径为5.0 cm，探测器摆放位置与旋转圆相切，探测器采用1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的晶体，有效探测面积为18 mm×18 mm，探测夹角为21.62°，转台旋转9次。在实验中，光电倍增管PSPMT的工作电压设置为-800 V，前置放大电路的工作电压为±5 V，用PXI数据采集系统进行数据采集和储存[11]。总采集符合计数为1 600万对，平均每个角度为177万对。

利用滤波反投影算法对采集数据进行图像重建，重建区域46 mm×46 mm，结果示于图9。由图9数据可知，获得的图像空间分辨率可以达到1.5 mm，相比于真实点源，重建图像出现展宽，可能是在实际测量中，转台转到某个角度受到的散射影响比较严重，以及实验的硬件设置都会对图像重建结果造成影响。

a——剖面图；b——相对强度图

4 结论

本文对0.7 mm×0.7 mm、0.9 mm×0.9 mm、1.2 mm×1.2 mm、1.3 mm×1.3 mm、1.5 mm×1.5 mm、2.0 mm×2.0 mm六种小像素尺寸的LYSO晶体阵列的二维位置、能量分辨率等性能进行了测试，并利用一对1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶体阵列探头进行符合实验测量。六种晶体的二维位置可以较明显的分开，有较好的位置区分度，位置区分轮廓半高宽平均值在0.38～0.49 mm之间。PET的能量分辨率通过全能峰的半高宽与入射γ光子的能量比计算，表明PET系统对散射符合计数的甄别能力是个重要参数。本文中对多种像素尺寸的晶体进行能量分辨率计算，结果在17.61%～30.40%之间。经过刻度得1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶体阵列的小像素平均能量分辨率可达到12.1%，满足前期测试实验要求。后续选取1.5 mm×1.5 mm像素尺寸的LYSO晶体阵列进行一对一符合探测初步断层成像实验。利用滤波反投影进行图像重建显示空间分辨率接近1.5 mm。

基于一对探头的符合实验测量结果，3×3阵列的大面积LYSO探测系统自由符合具有较大的研发可能性。项目组目前已经完成了3×3阵列的大面积LYSO与PSPMT耦合探头的脑PET系统设计，正在积极开展相关性能测试实验，包括时间分辨率、灵敏度、图像重建等，测试结果良好。该系统的设计与开发，将会为未来脑PET系统的设计提供新的研究方向。